一种气介式自标定超声波液位测量方法及其液位计

摘要

本发明公开了一种气介式自标定超声波液位测量方法，包括：将一个发射/接收超声波于一体的超声波换能器置于一端平面上，或者分别用一个发射超声波的超声波换能器与另一个用于接收超声波的超声波换能器置于同一端平面，在端平面与被测液面之间固定设置可部分反射所发射超声波的杆状对象作为校正量具，通过设定的校正量具与端平面的已知固定精确距离来校正获得端平面与被测液面的距离；本发明还公开了利用一种气介式自标定超声波液位计，包括壳体及安装于壳体上的超声波换能器、超声波发射、检测、控制单元和校正量具。本发明可实现对液位(距离)的精确测量，测量精度不受空气质量因素的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液位计，特别涉及一种气介式自标定超声波液位(距离)测 量方法，本发明还涉及利用上述方法的液位计。

背景技术

采用超声波测距技术的液位计广泛应用于水文、水利工程、市政工业过程检 测和控制，同时在各种矿山、井下等易燃易爆场合观测液位或仓储物位，但在目 前使用的超声波测距技术中，应用最多的是脉冲回波检测法，其原理是通过超声 波传感器发射超声波，并接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从 发射到接收的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传感器与被测 物体之间的距离。但是超声波在介质中的传播速度与介质材料、环境温度、湿度 等因素有关，因此测量精度有限。

常见的提高检测精度的方法是温度补偿法，但是温度补偿只能取一点、或多 点的温度，不能连续的取得整个超声波传播过程中的温度，因此采取温度补偿办 法存在缺陷。而且超声波声速不仅仅与温度有关，还与湿度、气压、空气质量等 等因素有关，不可能一一对各种因素校正。这种采用温度补偿的办法只能在很小 程度上提高测量精度，但是无法实现精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气介式自标定超声波液位测量方法及其液位计， 实现对液位(距离)的精确测量，测量精度不受空气质量因素的影响。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种气介式自标定超声波液位测量方 法，包括：将一个发射/接收于一体的超声波换能器置于一端平面上，或者分别 用一个发射超声波的超声波换能器与另一个用于接收超声波的超声波换能器置 于同一端平面，在端平面与被测液面之间固定设置可部分反射所发射超声波的杆 状对象作为校正量具，通过设定的校正量具与端平面的已知固定精确距离来校正 获得端平面与被测液面的距离，实现高精度超声波液位测量。

本发明的测量方法包括如下步骤：

(1)测量获得校正量具与端平面的距离为h₀；

(2)测量获得超声波经发射传播至校正量具后，反射回来接收所用的时间 t₀；

(3)测量获得超声波经发射传播至被测液面后，反射回来接收所用的时间 t；

(4)计算出端平面与被测液面的距离

本发明所述超声波换能器发射的超声波是通过固定间隙的多组波激励发射， 以获得较大的激励能量。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案实现：

一种利用上述方法的气介式自标定超声波液位计，包括壳体及安装于壳体上 的超声波换能器、控制单元和校正量具，所述发射换能器的发射端与接收端处于 同一端平面；所述校正量具设于超声波换能器与被测液面之间，并与所述端平面 平行；

所述控制单元包括单片机、发射输出电路、数据存储电路、接收输入电路、 通信电路和工作电源电路，单片机通过发射输出电路激励发射换能器发射超声 波，超声波传播至校正量具后一部分被校正量具反射回接收换能器并被转换成电 信号，另一部分传播至被测液面反射回接收换能器并被转换成电信号，再经接收 输入电路将两部分电信号根据时间序列分别输入至单片机的相应检测端口进行 数据处理，获得所需的液位或距离数据，再经通信电路输出数据，并由存储电路 存储数据；由工作电源电路向各部分电路提供所需的电源。

通过本发明的气介式自标定超声波液位测量方法，则可由单片机计算处理获 得被测液位数据。

在上述基础上，本发明可作如下改进：

本发明所述发射输出电路具有隔离变压器，该发射输出电路通过变压器隔离 后激励发射换能器发出超声波，以隔离后续超声波的震动。

本发明所述校正量具为一金属杆，该金属杆两端通过两支撑臂固定于壳体 上，以使校正量具获得半反射半透射超声波功能。

本发明所述金属杆在端平面的投影位于两超声波换能器之间，所述发射换能 器与接收换能器之间设有挡板，以防止声短路。

本发明还可设置所述金属杆在端平面的投影位于两超声波换能器端面的中 心连线上。

此外，本发明所述的超声波换能器采用一个发射/接收于一体的超声波换能 器；或者由一个为发射超声波用的发射换能器和一个为接收超声波用的接收换能 器组成。

与现有技术相比，该发明技术具有以下优点：

(1)本液位计在两超声波换能器与液面之间设置有校正量具，通过校正量 具的校正，被测液位只与h₀、t₀、t有关，与超声波在空气中的传播速度无关， 本液位计测量液位时故不受温度、湿度、气压、空气质量等因素的影响，起到了 自标定作用，从而获得较高的测量精度；

(2)通过固定间隙的多组波激励发射的超声波精确测量液位，获得的超声 波能量大，适用于各种需要连续实时检测距离或液位的场合。

附图说明

图1为本发明液位测量方法的原理图；

图2为本发明实施例一液位计的立体结构图；

图3是图2的仰视图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图3的C-C剖视图；

图6为本发明液位计中控制单元的连接框图；

图7为本发明实施例二液位计的立体结构图；

图8是图7的仰视图；

图9是图8的B-B剖视图；

图10是图8的D-D剖视图。

图中，1、发射换能器；2、接收换能器；3、校正量具；4、空气介质；5、 被测液面；6、壳体；7、挡板，8、支撑臂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步加以阐述。

实施例一

如图1所示，一种气介式自标定超声波液位测量方法，包括：

(1)将两个超声波换能器置于同一端平面，并位于端平面与被测液面相距 为h的上方，其中一个超声波换能器用于发射超声波，另一个用于接收超声波， 距离h即为需要测量获得的液位；本实施例中，将一个超声波换能器的发射端端 面与另一超声波换能器的接收端端面设置成处于同一水平面，且将发射端和接收 端正对准被测液面；此外，也可采用一个发射/接收超声于一体的超声波换能器， 即该超声波换能器同时具备发射和接收超声波的功能，并保证发射超声波的发射 端与接收端的端口处于同一端平面；

将可部分反射所发射超声波的校正量具固定设置在超声波换能器与被测液 面之间，测量获得校正量具与端平面的距离为h₀，将校正量具设置成与端平面平 行；校正量具可设置成杆状；

(2)测量获得超声波经发射传播至校正量具后，反射回来接收所用的时间 t₀；

(3)测量获得超声波经发射传播至被测液面后，反射回来接收所用的时间 t；

(4)超声波在空气中传播的速度为c，则端平面与被测液面的距离校正量具与端平面的距离因校正量具为固定设置，故h₀为可测量获 得的精确数据，为已知量，从而通过校正量具与端平面的已知固定精确距离来自 校正(即自标定)计算出端平面与被测液面的距离端平面与被测液面 的距离h也即被测液面的液位，即h为测量得出的液位值。

其中，通过固定间隙的多组波激励发射用的超声波换能器发射出超声波，将 多脉冲通过变压器放大后加在超声波换能器两端作为激励，实现单位时间内对距 离或液面的实时测量。超声波换能器在激励后，发射出超声波，多脉冲激励的方 式增加了超声波的能量，可最大测量12m的距离。而激励结束后超声波换能器 并不是立即停止，还会延续震动一段时间，但由于发射换能器用变压器完全隔离， 因此后续的震动并不影响接收输入电路的接收，使得测量盲区减小。

由以上测量步骤可知，本方法对液位的测量只与h₀、t₀、t有关，与超声波 在空气中的传播速度无关，故不受温度、湿度、气压、空气质量等因素的影响， 起到了自标定(或称自校准、自校正)的功能。因此，只要有精确的时间测量值 和精确的校正量具距离值，则可以实现高精度距离或液位的测量。

如图2-5所示，利用上述的超声波液位测量方法，本实施例的一种气介式自 标定超声波液位计，它包括壳体6及安装于壳体6上的超声波换能器、控制单元 和校正量具。其中，壳体6呈喇叭形，使用时将其喇叭开口朝向被测液位，利于 超声波的发射与接收；校正量具为半透半反射超声波的校正量具3，即具有一部 分透射一部分反射超声波的功能，该校正量具为一金属杆，金属杆两端通过两支 撑臂8固定于壳体上，金属杆可采用直径为3mm～5mm的不锈钢材料的圆杆(钢 条)。

校正量具3和两支撑臂8可直接采用一条不锈钢钢条弯制而成，由于两支撑 臂8所反射超声波的比率小，故不影响校正量具3反射超声波而自校正测量液位。

本实施例的超声波换能器为两个，一个为发射超声波用的发射换能器1，另 一个为接收超声波用的接收换能器2，两超声波换能器处于同一端平面，金属杆 设于超声波换能器与被测液面5之间，使金属杆在端平面的投影位于两超声波换 能器之间，并将金属杆设置成与端平面平行，金属杆通过两支撑臂8的固定，保 证了金属杆与端平面的距离固定，而与金属杆与端平面的距离可在40mm～50mm 的范围内选择，以利于实现金属杆的最佳反射与透射效果。如图1所示，由发射 换能器1发出的超声波将经空气介质4传播至校正量具3和被测液面5，并分别 被校正量具3和被测液面反射回接收换能器2。在发射换能器1与接收换能器2 之间设有挡板7，以防止声短路。

如图6所示，本实施例的控制单元包括单片机、发射输出电路、数据存储电 路、接收输入电路、通信电路和工作电源电路，单片机通过发射输出电路激励发 射换能器发射超声波，超声波传播至校正量具后一小部分被校正量具反射回接收 换能器并被转换成电信号，另一大部分传播至被测液面反射回接收换能器并被转 换成电信号，再经接收输入电路将两部分电信号根据时间序列先后分别输入至单 片机的相应检测端口进行数据处理，获得所需的液位或距离数据，再经通信电路 输出数据，并由存储电路存储数据；由工作电源电路向各部分电路提供所需的电 源。

通过本气介式自标定超声波液位测量方法，则可由微处理器计算获得被测液 位。

其中，单片机用于处理上述两部分电信号，获得时间t和t₀后根据已设定好 的h₀计算得出液位值h。

本实施例的单片机采用NEC单片机，型号为uPD78F0881(A)(78K0/FC2 系列)，该单片机为8位单片机，32K ROM，1024Bytes内部高速RAM，1024Bytes 外部扩展RAM，共有44个脚，有两组UART口UART60与UART61，一个CAN收发 接口。也可采用型号为uPD78F0882(48K ROM，1024Bytes内部高速RAM，2048 bytes外部扩展RAM)或型号为uPD78F0883(60K ROM，1024Bytes内部高速RAM， 2048Bytes外部扩展RAM)的单片机。

单片机的PWM口输出40K频率的方波，方波个数5个，形成多脉冲激励， 通过三极管将5V方波转换成12V方波，再通过双路高速反相MOSFET驱动器 TPS2811驱动IRF320型MOS管，发射输出电路中的变压器将12V方波升压到 100V方波，加到发射换能器两端激励，即发射输出电路通过变压器隔离后激励 发射换能器发出超声波，由于发射换能器用变压器完全隔离，因此后续超声波震 动并不影响接收换能器的回波接收，测量盲区减小。数据存储电路采用24C02 芯片的常规数据存储电路。

接收输入电路用于对接收的超声波进行处理，它包括依次相连的放大电路、 滤波电路、比较电路和整形电路，超声波的回波信号为毫伏级40K频率的正弦波 信号，先经放大电路的LM324芯片两级放大400倍，再进入包括MAX275带通滤 波器构成的滤波电路，带通滤波器中心频率40K，带宽2K。通过滤波后的信号经 过IN60检波二极管，去掉噪音与信号负半部分，再进入放大电路的LM324芯片 进行第三级放大20倍得到信号RV6。比较电路的REF3212芯片产生基准电压， 由比较电路的MAX903芯片将信号RV6与基准电压进行比较，得出信号RV7， 信号RV7再依次进入整形电路的74LS122芯片、74HC04芯片进一步整形，最 后信号INT进入单片机。

本实施例的通信电路用于将控制单元单片机处理计算获得的液位数据输出 至外部设备，本通信电路采用型号为ADM2483的485通信芯片的前级稳压芯片隔 离485芯片，采用BS0505-1W型DC-DC获取隔离电源。485总线上面加入瞬态抑 制二极管保护以及加入放电管来保护，用两个电阻以及自恢复保险管限制总线电 流，形成隔离总线，防止因短路、雷击造成的总线大电流对液位计系统的影响。

本实施例的工作电源电路包括用于整个液位计系统供电的第一电源电路和 用于给单片机、通信电路供电的第二电源电路，两电源电路为现有常规电源输入 电路。第一电源电路为整个液位计提供12V供电。第一电源电路接入外部12V 电压经过二极管后过电容进行高、低频滤波，最后通过电感输出。二极管可以防 止输入电源接反的情况下对元件的保护。电感的作用是防止系统电流突变引起电 压变化。回路中串入500毫安自恢复保险，防止出现大电流故障时系统瘫痪，并 保护其它元件。

由于单片机和通信电路需要一直供电，对于这部分电源电路要求稳定、温漂 小，输出有一定负载能力，同时静态功耗也要低，所以第二电源电路的降压芯片 采用MC78LC05芯片，输出能力80毫安，静态功耗100微安，满足单片机与通 信电路的总电流不会超过50毫安的要求。

本实施例还可设置电子开关电路，用于对发射输出、放大、滤波、整形电路 部分元件电源的选择性接通或断开，可采用现有常规电子开关电路，不一一例举。

本实施例的测量方法和液位计也可用于其它被测物的距离测量。

实施例二

如图7-10所示为本发明一种气介式自标定超声波液位计的实施例二，本实 施例二与实施例一的不同之处在于：本实施例中，将实施例一的金属杆位置在水 平方向上旋转90°，使金属杆在端平面的投影位于两超声波换能器端面的中心 连线上，并保证金属杆与两支撑臂8所处的平面与两超声波换能器的端平面垂 直。由发射换能器1发出的超声波将经空气介质4可传播至校正量具3和被测液 面，并分别被校正量具3和被测液面反射回接收换能器2，同样可自标定测量液 位。

此外，为简化结构，本实施例中省去了挡板7。

本发明的实施方式不限于此，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和 惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多 种形式的等效修改、替换或变更，例如校正量具也可采用其它具有半透半反射超 声波效果的材质，校正量具在端平面上的投影与两超声波端面中心连线的夹角也 可设为其它任意角度，同样可起到半透半反射超声波的效果，均可实现本发明目 的。